拓扑单元

拓扑单元（精选6篇）

拓扑单元 篇1

0 引言

在航天技术中, 由于发射时运载工具有效载荷舱几何尺寸的限制, 卫星和空间站等航天器不可避免地大量采用可伸展、可组装结构形式。可折叠、可展式机构的研究成为当今国际上的一个研究热点。剪式机构单元由于其可展性好, 组合方便, 在可展机构中是一种常见的单元机构。许多可展开/收拢机构都可以看成是剪式机构的组合。Dai等[1]对一种可伸展收拢的花式魔球进行自由度和运动学分析, 其基本单元就是剪式机构。李端玲[2]设计的一种月球探测用折叠变胞月球车模型, 在车轮和车身设计上大量采用了剪式机构。Cherniavsky等[3]设计开发了一种新型EGS天线, 天线由圆环剪式铰组成, 收拢时, 直径为0.6m, 展开后, 其椭圆面可以达到5.6m×6.4m。

关于剪式机构的研究, 已有许多相关文献。这些研究有些集中在对剪式机构的运动学分析和组合设计上, 如文献[4,5,6]就对剪式机构的柔性变形进行了分析。上述研究在分析中常常只考虑了杆件节点的3个自由度, 即对应的节点力Fx、Fy、Fz, 而较少考虑单元节点处另外的2个方向的弯矩Mx、My。

本文利用矩阵凝聚法, 推导出了一种五自由度剪式单元的有限元模型, 并对一种圆柱式折叠结构进行了静力学分析。基于这种剪式单元的有限元模型, 利用拓扑优化, 对可展机构进行了轻量化设计研究。

1 剪式单元的有限元模型

在可展机构中, 如果2个剪式单元共面, 它们常常被设计成直接用销副连接。而如果2个剪式单元异面, 它们的连接方式, 在机构上通常会设计成1个连接单元, 2个异面的剪式单元通过此连接单元连接, 其结构如图1所示。在以上两种情况中, 剪式单元机构除承受3个方向的力外, 还可能有2个方向的弯矩, 针对此类情况, 本文对其建立了有限元模型。

1.1单元刚度矩阵

如图2所示, 剪式单元由两根杆件 (d1, d2) 组成, 两杆之间和端点处采用销连接。与一般的两节点梁式杆单元不同, 其连接点不仅位于单元两端, 还位于单元中部。整个单元可以分为5个节点 (1～5) , 取其中一杆d1进行分析, d1可以看成由两根梁式杆单元构成, 即1-5段, 5-2段, 如图3所示。

将两部分的刚度矩阵进行叠加, 可以得到d1的整体刚度矩阵。考虑到单元采用销副连接方式, 沿z方向的力矩Mz恒等于0, 可以对转角θz释放自由度。d1的单元刚度方程为

式中, uo为需要保留的节点自由度, 即 (uix, uiy, uiz, θix, θiy) ;uR为需要释放的自由度, 即θiz。

释放自由度后的刚度矩阵为

K*1=ko-koRk-1RkRo (2)

同理, 可以得到d2释放自由度后的刚度矩阵K*2, 将K*1、K*2进行坐标变换后叠加, 得到单元总体刚度矩阵Kd, 则单元刚度方程可以表示为

在实际应用中, 节点自由度u5可以视具体情况而决定是否释放。如果在节点5处有其他构件连接或载荷, 节点自由度u5不必释放, 此时刚度矩阵Kd是一个25×25的矩阵。如果在节点5处没有连接其他杆件或载荷, 节点自由度u5可以进一步释放, 此时剪式单元蜕变为4节点单元, 刚度矩阵K*d是一个20×20的矩阵。以下主要以这种形式的单元作为研究对象, 讨论结构的静力学性能。

1.2剪式单元的坐标变换和组合

由于此单元每个节点只有5个自由度, 而在进行坐标变换时, 每个节点对应6×6的变换矩阵, 因而在K*d对应的位置应添加上0行0列, 使刚度矩阵与变换矩阵的阶数一致。代入式 (4) , 可以求得变换后的单元刚度矩阵为

Kn=TTK*d nT (4)

式中, K*d n为添加0行0列后的刚度矩阵;T为坐标变换矩阵。

整体刚度通过单元刚度矩阵的叠加得到, 需要注意的是在集合总体刚度矩阵时, 如果交汇某个节点的所有元素在同一平面, 在局部坐标系中, 该节点的第6个平衡方程 (相当于θz方向) 将是0=0。如果总体坐标系与局部坐标系不一致, 经变换后在该节点会得到相关的6个方程, 导致刚度阵奇异。解决此问题, 通常有以下几种方法:

(1) 在局部坐标系内集合共面节点平衡方程, 并删去0=0这个方程。

(2) 在该节点上给以任意的刚度系数Kθz, 则在局部坐标系中, 该节点θz方向平衡方程由Kθzθz=0来代替。经变换后, 将产生一组良性方程。由于θz与其他节点平衡方程无关, 故Kθz不会影响计算结果。

(3) 无论一个节点处相汇单元是否共面, 在所有单元中都采用假想的转动刚度系数, 即虚刚度。此方法易于编程, 但虚刚度会对计算结果产生影响。

本文采用第一种方法解决同一平面的刚度阵奇异问题。

2 整体结构的静力学性能研究

平板式折叠结构和圆柱式折叠结构是两种常见的折叠结构[7], 它们已被广泛应用于航天和建筑工程领域。这两种折叠结构都由基本的剪式机构所组成, 而且在展开收拢时只有一个自由度, 便于控制, 如图4所示。

算例1 这里以圆柱式折叠结构作为研究对象, 剪式单元梁的几何尺寸为ϕ20mm×3mm, 弹性模量为210GPa, 圆柱式折叠机构的4个角点与地面简支, 结构中心位置有一集中力载荷F=1000N, 其具体结构如图5所示。在计算中, 采用前文推导的4节点剪式单元模型, 利用MATLAB进行了编程计算。计算结果如图6所示, 其中虚线部分是结构变形前的形状, 实线部分是变形后的形状, 为了显示清楚, 对节点位移进行了适当放大。位移最大处位于结构中点下弦处, 其最大位移umax=-31.2976mm。从图6中可以看到, 其位移结果满足中心对称性要求。

3 拓扑优化设计

可展机构在完全展开后往往需要承受一定的外载。一般来讲, 对于较少数目单元的结构, 强度和屈服占主导地位, 而对于含有较多单元数的大跨度结构, 刚度几乎总是决定性因素[8], 而机构中的单元拓扑布局, 对机构刚度性能影响很大。在相同载荷和边界条件下, 如何合理规划布局, 使机构展开后能保持较大的刚度是可展机构设计的主要问题。本文借助拓扑优化中的SIMP (simple isotropic material with penalization) 法[9,10,11,12], 选取结构柔度最小化和结构效率最大化两种目标函数, 对基于剪式机构的可展机构布局进行了优化研究。

3.1拓扑优化的数学模型

SIMP法设计变量少, 计算简单, 适用于大型工程的拓扑优化设计。根据SIMP法, 在计算单元刚度矩阵中添加伪密度xi (xi∈[0.001, 1]) , 新的单元刚度矩阵可以表示为

Ki=xpiKn (5)

式中, p为惩罚因子。

式 (5) 的作用是使伪密度向0-1两端聚集, 从而获得较清晰的拓扑结果。通过对伪密度xi的优化计算, 可以得到整个机构的拓扑布局。

3.2结构柔度最小化拓扑优化设计

为了让机构展开后有较好的刚度, 本文以结构柔度最小为目标函数, 以单元机构的数量约束作为优化约束条件, 建立优化模型:

$\begin{array}{l}\text{F}\text{i}\text{n}\text{d}\mathit{x}\\ \underset{x{}_i}{{\displaystyle \min }}C\\ C=\mathit{F}{}^{\text{Τ}}\mathit{U}\\ \text{s}.\text{t}.\mathit{{\rm K}}\mathit{U}=\mathit{F}\\ V={\displaystyle \sum _{i=1}^{n}x}{}_{i}v{}_i\le V{}_{0}f0.001＜x{}_i\le 1\end{array}(6)$

式中, x为伪密度设计变量;K、U、F分别为包含伪密度的整体刚度矩阵、位移矩阵和力矩阵;V为实际材料用量;V0为初始材料量;f为材料保留率 (实际材料用量与初始材料量的比值) 。

本文取惩罚因子p=3.5, 能获得较清晰的结果。有关目标敏度的计算, 可参阅文献[10], 本算例采用OC法作为设计变量的求解方法。

算例2 以算例1圆柱式折叠结构作为优化对象, 采用相同的结构布局和约束条件进行计算, 计算时给定的材料保留率f=0.6。为便于显示计算结果, 在提取拓扑结果时, 设定一阀值ξ, 当单元伪密度xi≥ξ时, 显示此单元, 当单元伪密度xi<ξ时, 不显示此单元, 本算例取ξ=0.7, 其优化后的结构如图7所示。

图8所示是优化过程中目标函数的历程曲线, 优化过程在第25步收敛, 收敛于36.290N·mm。

从图7可以看到, 在优化后的折叠结构中保留了136个单元, 占原来结构220个单元的61.8%, 基本满足了给定材料保留率的要求。在图8中, 结构的变形能通过优化过程达到一个稳定的最优解。通过以上分析可以得到, 经过优化计算后的折叠结构, 在结构静刚度最大化的前提下, 质量得以减轻。然而, 在计算过程中, 材料保留率是给定的, 在相同的结构布局和约束条件下, 不同的材料保留率会得到不同的拓扑优化结果, 如何确定一个适当的材料保留率, 是优化计算中的一个问题。本文在目标函数中引入结构效率概念, 使材料保留率和拓扑结构同时得到优化。

3.3结构效率最大化拓扑优化设计

在结构或机构的设计中, 刚度和质量的要求通常是互相矛盾的。结构刚度的增大往往导致结构质量的增加。如何用最经济的质量来获取最大的静刚度是一个结构效率问题。文献[13]给出了一个结构效率的计算公式, 式中考虑了最大变形和质量的关系, 即

$SE{\rm I}=\frac{1}{\gamma }\frac{{\rm P}}{W}(\frac{S}{D}){}^{\frac{1}{\beta }}$ (7)

式中, γ为归一化因子;β为影响因子;P为整体载荷;W为结构质量;S为结构跨度;D为结构最大变形绝对值。

两个具有相同载荷条件和边界条件的结构, SEI指标越大, 结构的效率就越高。在本文中, 我们将影响因子β和归一化因子γ取为1, 在P和D的计算中暂时不考虑自重的影响, 则式 (7) 可以表示为

$SE{\rm I}=\frac{{\rm P}}{W}\frac{S}{D}$ (8)

对于具有相同跨度和载荷条件的结构而言, 越高的SEI意味着较轻的质量或较小的结构变形。以算例1和算例2为例, 算例1计算的SEI等于0.7054, 而算例2计算的SEI等于0.9841。可见优化后的结构质量减轻, 而结构效率得到提高。通常情况, 对于设计者而言, 载荷情况和跨度是预先给定的, 在此情况下, 式 (8) 中的PS积为一常数, 令

SWD=WD (9)

SWD称为质量变形积, 对于式 (9) , 在给定载荷和跨度的情况下, 结构的效率越高, SWD的值越小。若将SWD作为优化目标, 则有数学表达式:

$\begin{array}{l}\text{F}\text{i}\text{n}\text{d}\mathit{x}\\ \min SWD\\ \text{s}.\text{t}.\mathit{{\rm K}}\mathit{U}=\mathit{F}\\ W={\displaystyle \sum _{i=1}^{n}x}{}_i^{p}w{}_{i}0.001＜x{}_i\le 1\end{array}(10)$

式中, wi为每个单元结构质量。

为进行优化计算, 必须得到目标函数的灵敏度。引入一个伴随变量λ和一个单位列向量L, 使得LTU=D。定义一个新的目标函数SWD*:

SWD*=WLTU+λ (KU-F) (11)

式 (11) 在数值上与原目标函数等价。对SWD*求导可以得到:

$\frac{\partial SWD{}^{*}}{\partial x{}_i}=\frac{\partial W}{\partial x{}_i}\mathit{L}{}^{\text{Τ}}\mathit{U}+W\mathit{L}{}^{\text{Τ}}\frac{\partial \mathit{U}}{\partial x{}_i}+\mathit{\lambda }(\frac{\partial \mathit{{\rm K}}}{\partial x{}_i}\mathit{U}+\mathit{{\rm K}}\frac{\partial \mathit{U}}{\partial x{}_i})$ (12)

由于

$\frac{\partial W}{\partial x{}_i}=px{}_i^{p-1}w{}_i$

代入式 (12) , 合并同类项后可得

$\frac{\partial SWD{}^{*}}{\partial x{}_i}=px{}_i^{p-1}w{}_i\mathit{L}{}^{\text{Τ}}\mathit{U}+\mathit{\lambda }\frac{\partial \mathit{{\rm K}}}{\partial x{}_i}\mathit{U}+(W\mathit{L}{}^{\text{Τ}}+\mathit{\lambda }\mathit{{\rm K}})\frac{\partial \mathit{U}}{\partial x{}_i}$ (13)

令WLT+λK=0, 得到伴随变量λ的值, 回代入式 (13) 可以得到目标函数的敏度值, 其计算公式为

$\begin{array}{l}\frac{\partial SWD}{\partial x{}_i}=px{}_i^{p-1}w{}_i\mathit{L}{}^{\text{Τ}}\mathit{U}+\mathit{\lambda }\frac{\partial \mathit{{\rm K}}}{\partial x{}_i}\mathit{U}\\ \mathit{{\rm K}}\mathit{\lambda }{}^{\text{Τ}}=-W\mathit{L}\end{array}\}$

(14)

在求解优化问题时采用移动渐进法 (the method of moving asymptotes, MMA) 求解。

算例3 取算例1作为原始结构, 经过优化计算后, 可以得到当结构保留率f=0.413时, 结构效率最大。此时最优结构如图9所示。

从图9可以看到, 优化后的折叠结构中保留了88个单元, 占原来结构220个单元的40%, 质量得以减轻。

图10、图11所示是结构的材料保留率变化曲线和SWD变化曲线。可以看到, 材料保留率和SWD随着迭代次数的增加, 逐渐减小, 结构效率得到提高, 最终收敛到一个稳定的最优解。此时的结构综合考虑了质量与刚度的影响, 具有最优的结构效率。为了验证其正确性, 将结构保留率f看成一系列离散的变量, f=0.2, 0.3, …, 1.0。对于每一个离散变量fi, 计算其最优的结构效率, 并将一系列离散的结构效率用平滑的曲线连接。图12所示是结构效率随材料保留率的变化曲线。从图12中可以看出, 结构在保留率为0.4附近具有最优的结构效率, 此时对应的最优结构能够以最经济的质量来获取最大的静刚度。这验证了前面推导计算的正确性。

从以上分析中可以看出, 将拓扑优化方法引入到此类剪式可展机构的设计中来, 能大大减少剪式单元的数量, 减轻机构的质量。而结构效率的引进使得材料保留率和拓扑结构同时得到优化。

4 动力学性能探讨

在结构刚度和质量分析计算中, 除了满足静刚度的要求外, 还应考虑结构的动力学性能。以下基于4节点剪式单元对展开后的可展结构进行动力学分析。

释放自由度后, 剪式单元的质量矩阵可以通过古因缩聚法获得, 考虑自由振动的运动方程:

$\left[\begin{array}{cc}\mathit{m}{}_{\text{o}}& \mathit{m}{}_{\text{o}\text{R}}\\ \mathit{m}{}_{\text{R}\text{o}}& \mathit{m}{}_{\text{R}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\ddot{\mathit{u}}{}_{\text{o}}\\ \ddot{\mathit{u}}{}_{\text{R}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}\mathit{k}{}_{\text{o}}& \mathit{k}{}_{\text{o}\text{R}}\\ \mathit{k}{}_{\text{R}\text{o}}& \mathit{k}{}_{\text{R}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathit{u}{}_{\text{o}}\\ \mathit{u}{}_{\text{R}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ 0\end{array}\right]$

(15)

其凝聚后的质量矩阵为

M*d=mo-moRk-1RkRo-

koRk-1RmRo+koRk-1RmRk-1RkRo (16)

因此, 退化为4节点单元的运动方程可以写成

$\mathit{{\rm M}}{}_{\text{d}}^{*}\ddot{\mathit{u}}{}_{\text{o}}+\mathit{{\rm K}}{}_{\text{d}}^{*}\mathit{u}{}_{\text{o}}=0$ (17)

式中, M*d、K*d为4节点剪式单元的一致质量矩阵和刚度矩阵。

和静力分析相似, 把局部坐标系下的质量矩阵向整体坐标转换, 得到整体坐标下的质量矩阵Mn, 继而可以得到整体坐标系下剪式结构的自由度振动方程。以算例1的结构为例, 对可展结构进行动力学分析, 结构的材料选用铝, 密度ρ=2.7g/cm3, 它的前两阶主频和振型如图13所示。

结构动力学拓扑优化[14,15,16]通常以某阶自然频率如一阶频率最大化作为目标, 可表述为

$\begin{array}{l}\text{F}\text{i}\text{n}\text{d}\mathit{x}\\ \underset{x{}_i}{{\displaystyle \min }}\omega {}_j\\ \text{s}.\text{t}.(\mathit{{\rm K}}\omega {}_j^2\mathit{{\rm M}})\tilde{\mathit{U}}{}_j=0\\ V={\displaystyle \sum _{i=1}^{n}x}{}_{i}v{}_i\le V{}_{0}f0.001＜x{}_i\le 1\end{array}(18)$

式中, M为一致质量矩阵;ωj、$\tilde{\mathit{U}}{}_j$为对应的j阶特征值和模态向量。

由有限元平衡方程和伴随向量易推导得到目标函数的敏度表达式:

$\frac{\partial \omega {}_j^2}{\partial x{}_i}=\tilde{\mathit{U}}{}_j^{\text{Τ}}\frac{\partial \mathit{{\rm K}}}{\partial x{}_i}\tilde{\mathit{U}}{}_j-\omega {}_j^2\tilde{\mathit{U}}{}_j^{\text{Τ}}\frac{\partial \mathit{{\rm M}}}{\partial x{}_i}\tilde{\mathit{U}}{}_j$ (19)

以算例1的结构为例, 取材料保留率f=0.6, 针对一阶主频进行了拓扑优化计算, 得到的计算结果如图14所示。

5 结论

(1) 本文利用矩阵凝聚法, 推导出了一种节点五自由度的剪式单元有限元模型, 此模型适合采用销连接方式的剪式可展机构的静力学计算。

(2) 引入SIMP法, 对圆柱式折叠结构进行了以结构柔度最小化为目标的拓扑优化计算。结果表明, 此方法在结构刚度最大化的前提下, 能有效减少剪式单元数量, 减轻结构的质量。

(3) 将结构效率作为目标函数, 推导出了目标函数的敏度计算公式, 对圆柱式折叠结构进行了优化计算。结果表明, 结构效率的引进使得材料保留率和结构拓扑结构同时得到优化, 使结构能以最经济的质量来获取最大的静刚度。对结构的动力学性能进行了初步的探讨和优化设计。

(4) 本文的分析和优化方法可延伸到其他以剪式单元为基础的折叠机构, 为此类可展机构的设计提供了一种提高结构效率, 减轻质量的新途径。研究结果对航天可展机构的设计与优化具有参考价值。

拓扑单元 篇2

模块化多电 平柔性直 流输电技 术 ( MMCHVDC) 由于其独有的优势,被国内外学者公认为特别适用于新能源并网、孤岛供电、特大型城市电网输配电、交流电网互联等多种应用场合[1,2,3,4,5,6,7]。

目前普遍采用的半桥型MMC具有损耗小、成本低的特点,是目前工程中的首选。但是其不具备直流侧故障隔离能力,因此必须采用故障率低的电缆输电线,而长距离电缆铺设直接导致柔性直流输电工程的成本高昂。如何将柔性直流输电扩展到架空线输电领域,从而在某些应用场合有效降低成本和铺设难度,成为目前国内外柔性直流输电领域的研究热点[8,9,10,11,12,13,14,15,16]。文献[12]提出一种MMC子单元旁路采用双向晶闸管的改进方法,使直流故障等效为三相相间短路,从而故障电流的直流分量自然衰减至零,使闪络故障灭弧,之后晶闸管等电流过零自然关断。但是这种方法暂态故障处理时间较长,且如果直流侧出现非暂态故障,依然需要依靠交流断路器保护。有文献分析了全桥型MMC的直流侧故障隔离能力[13],这种MMC换流站的建设成本与损耗会大幅增加。另有文献提出一种采用箝位子单元技术的C-MMC结构,其在具备直流侧故障隔离能力的同时,在经济性方面具备显著优势[14,15,16],然而这种拓扑与半桥型MMC相比,增加了投资成本和35% 的额外运行损耗。

本文提出一系列故障隔离型子单元拓扑结构,使MMC换流站具备直流故障隔离能力的同时,优化损耗和成本。该系列方案控制简单,易于实现。其稳态运行特性与半桥型MMC基本相同,可完全移植目前已有的站控与阀控策略。直流暂态故障时闭锁所有IGBT即可阻断故障电流,易于实现。本文第2节到第4节详细介绍了三种故障隔离型子单元拓扑工作原理; 第5节介绍了采用这种特殊子单元拓扑的新型多类型桥臂混联型MMC实现方案;第6节选取其中一种子单元拓扑搭建了单相并网MMC实验平台,对其故障自清除能力进行了验证。

2 第一类故障隔离型子单元工作原理

第一类故障隔离型子单元的拓扑结构如图1所示。其具有正常和闭锁两种工作模式。两种工作状态下对应的IGBT开关状态与子单元输出电压关系如表1所示。

正常运行情况下,T0持续导通,二极管D1和D2路径上无电流,整个拓扑结构等效为两种半桥子单元级联电路中多加入了一个IGBT( T0) ,因此在系统正常工作时,适用于半桥型MMC结构的各种控制策略均适用于这种子单元结构。由于T0处于持续导通状态,并且正常工况下,电流不流经T0,因此与传统的半桥子单元相比,每两个半桥子单元增加的损耗为T0的导通损耗,T0可以采用特殊定制的低导通损耗、高开关损耗IGBT。

当换流站检测到直流侧故障,所有子单元切换到闭锁模式,此时包括T0在内的所有IGBT关断。其子单元等效故障电流通路如图2所示。当电流以正方向流过时,C1与C2串联接入电路,如图2( a)所示。当电流以反方向流过时,C1与C2并联接入电路,如图2( b) 所示。此时故障电流通路中的各子单元电容电压叠加,形成反电动势阻断故障电流。

上述两类子单元在正常工作时,可以等效为两个独立的单电容子单元,可以采用目前已成熟的MMC阀控策略来进行子单元电容电压均衡控制。

3 第二类故障隔离型子单元工作原理

第二类故障隔离型子单元的拓扑结构如图3所示。其工作模式同样具备正常与闭锁两种模式。其与第一类故障隔离型子单元的结构区别仅在于二极管的电路连接方式。在正常模式时,与第一类故障隔离型子单元工作原理相同,T0持续导通,电流不从二极管D0流过。适用于半桥型MMC结构的各种控制策略均适用于这种子单元结构。损耗分析原理也与上述第一类故障隔离型子单元相同,不同之处在于其故障之后的闭锁特性。因此表2仅给出第二类故障隔离型子单元闭锁之后的输出电压特性。

由表2可以看出,在故障时,这类故障隔离型子单元无论流入电流方向如何,其输出电压始终等于两倍电容端电压。即在故障闭锁之后,无论故障电流方向如何,子单元两电容均串联串入故障电流通路中形成反电动势阻断故障电流。

这种拓扑结构的优点在于减少了二极管的使用数量,并且无论电流方向正反,都能提供两倍反电动势从而更快阻断故障电流。当这种拓扑结构应用于桥臂混联结构中时,能够减少特殊故障隔离型子单元的使用数量。

但是这种拓扑结构也存在以下不足: D0与T0的最高承受电压为电容端电压的两倍。因此在选取器件时,D0与T0的耐压范围选取为其他普通IGBT的两倍。这在一定程度上增加了单个子单元的制造成本。

4 第三类故障隔离型子单元工作原理

前文所述子单元稳态工作时内部均等效为两个半桥型子单元。第三类故障隔离型子单元的实现思路是将全桥子单元的一个IGBT用二极管替换,如图4所示。

在稳态运行状态下,T0持续导通,电流不通过D0,该子单元等效为一个半桥子单元,可输出零电平和电容C0两端电压,如表3所示。

根据上述分析,在正常模式下,该故障隔离型子单元等效于一个半桥子单元与一个IGBT串联,稳态运行时增加了T0的导通损耗,并且每个子单元增加了D0与T0的器件成本。在直流故障闭锁模式下,无论电流正负,均等效于将电容C0串入故障回路,输出电压等效为电容C0两端电压。其增加的T0与D0最大耐压均为C0端电压,与传统的半桥型MMC采用的普通器件相同。

由于每个子单元均增加了D0与T0的器件成本以及T0的导通损耗,这种拓扑结构与全桥型MMC子单元相比虽然成本有所优化,但是与文献中提出的CDSM[15,16]以及上述两类子单元相比不具备优势。这种拓扑结构同样适用于混联型桥臂结构,与半桥型子单元混合使用,配置更加灵活,使整个换流站更加模块化。

5 基于故障隔离型子单元的换流站拓扑

与全桥型MMC相比,当整个MMC换流站的所有桥臂子单元均采用上述故障隔离型子单元时,整个换流站的损耗与成本均显著减少,但是仍然存在进一步优化的可能。

为了进一步降低损耗与成本,充分发挥故障隔离型子单元的优势与特点,本文设计了一种基于故障隔离型子单元与半桥子单元结合的新型换流站拓扑结构,即在MMC换流站的每个桥臂均采用本文中所提出的某一类故障隔离型子单元与传统的半桥子单元混联。一方面利用故障隔离型子单元的故障隔离特性,另一方面尽可能减少其使用数量,增加半桥子单元使用数量,从而实现对换流站成本和损耗的进一步优化。

如图5所示,图中各桥臂均由m个故障隔离型子单元和n个半桥子单元组成。图中,S-SM代表前文所述的故障隔离型子单元,HBSM代表半桥子单元。m与n的个数由采用的故障隔离型子单元类型决定。其数量关系应满足以下条件: 无论各桥臂电流正负流向时,各故障电流潜在通路路径中所有故障隔离型子单元接入之后,等效的各故障电流通路的总电势至少要大于该故障电流通路中交流线电压的峰值,从而形成反电动势有效阻断故障电流。

当直流母线出现短路故障时,图5中所有子单元的全部IGBT闭锁,即等效为所有子单元的电容串联接入故障电流通路中,形成反电动势阻断故障电流。

6 实验

为了验证本文所提出的系列故障隔离型子单元故障隔离方案思路的正确性,本文选取第一类典型的子单元搭建了实验室单相样机平台,每个桥臂采用一个故障隔离型子单元与一个半桥子单元混联。直流侧通过两个电容串联组成直流母线,在稳态运行时,使单相新型MMC实验样机运行在STATCOM状态,某一时刻在直流侧并联短路等效小电阻,模拟直流双极短路情况,实验参数如表4所示。实验波形如图6 ~ 图8所示。

图6中,上面波形为交流并网电压,下面波形为交流并网电流。图7为并网电流和桥臂电流按时间刻度放大的详细波形。图8中示波器第一通道和第二通道为第一类故障隔离型子单元内C1和C2两端的波形,第三通道为半桥子单元电容电压。如实验结果所示,在稳态运行时,并网电流和桥臂电流特性以及子单元电容电压波动特性与传统的MMC换流器没有区别,子单元电容电压控制在给定值附近,系统运行稳定。当在中间时刻在直流母线并联等效短路电阻之后,系统检测到短路故障闭锁,各部分电流被迅速阻断为零,子单元电容电压维持在闭锁前电压附近,不再上升,直流侧故障被有效阻止。

7 结论

注塑机动模板拓扑优化 篇3

0 引言

注塑机的锁模部分提供了模具打开和合紧运动[1], 并且提供了合紧模具所需要的力, 其中拉杆, 定模扳, 动模板是和一套开合模运动机构是锁模部分的关键部件, 推拉动模板的机构有如液压缸直接驱动, 电机滚珠丝杠驱动, 和曲肘机构驱动[2,3,4]。

由于在注塑过程中, 型腔会产生很高的压力, 需要有足够的锁模力作用于动定模板以阻止模具胀开[5], 这种锁模力在拉杆, 定模扳, 动模板等锁模结构中形成力闭环, 如图1所示.在力闭环中, 动模板负责将型腔中的压力传递到曲肘式锁模机构的铰接点处.由于作用在动模板上的力不在同一直线上, 动模板承受极大的弯矩从而产生弯曲应力, 若模板强度不足, 则可能在该弯曲应力下爆裂[6,7]。同时为了保证型腔的几何精度以及保护模具, 模板平面的变形应尽量小而且尽量均匀压缩而不能产生过大的弯曲[8,9]。为了提高模板刚度和强度, 加厚模板是一个直接有效的选择, 但这会增加原材料成本, 过大的质量也会加重机架以及运动机构的负担[10], 而本文的目标则是利用拓扑优化的方法在保证动模板刚度下降最小的前提下减轻模板的质量。

在工程领域中有三大优化方法:分别是拓扑优化, 形状优化以及尺寸优化, 这也是在优化过程中的三个步骤, 拓扑优化优化材料的分布, 形状优化用于避免应力集中, 尺寸优化给出详细的零件尺寸。近年来, 拓扑优化得到极大的发展以及重视, 在一些常用的CAE软件中都可以获得相关功能的集成, 从而大大减小优化过程的工作量[11,12]。本文利用Solidworks Simulation提供的有限元分析功能以及API接口完成动模板的拓扑优化。

1 拓扑优化的原理

拓扑优化是在一定的约束条件与优化目标下找到材料在结构件中的最佳分布。刚度函数或者质量函数都可以作为优化的约束或目标函数, 刚度函数定义为结构上的外部负载与其作用点上的位移的乘积, 该乘积也等于结构内部的所有弹性变形能.在优化的过程中, 以各单元的平均密度组成的密度矩阵为优化变量, 该矩阵为只包含0, 1二值的矩阵, 质量函数即为由个单元质量组成质量矩阵与密度矩阵的内积, 由于在优化计算过程中单元密度会发生0与1之间的变化, 密度为0的单元代表该处没有材料, 相当于该单元在力的作用下会产生无限变形, 在有限元计算的过程中, 结构变形计算由刚度矩阵乘以外力向量得出, 为了使结构变形反应出材料分布以及质量的变化, 需更新刚度矩阵, 而整体刚度矩阵由各单元刚度矩阵叠加得到。将密度为0的单元刚度系数设为0即可使刚度矩阵反应出材料的分布。本文中使用一种简化的自组织方法进行优化, 图2。

如图2所示, 迭代过程需要更新单元刚度矩阵, 也就是决定某一单元的刚度系数.这由单元的当前的Von Miss应力与整体应力均值的关系决定.迭代过程可视为求有限元模型的 (载荷向量) 与加载点位移点积的最小值, 即

约束方程为:

C-刚度系数矩阵:

M-单元质量矩阵:

M设定-要求结构的质量.

式 (1) 中

K-刚度矩阵

式 (1) 可以变形为

求解问题最终可以化为求等式 (2) 的约束下, 求刚度系数C使式 (4) 满足要求.对于该问题的求解本文不作详细讨论。

2 对动模板的拓扑优化

2.1 动模板的初始几何形状

图3所示为动模板的初始形状, 在实际应用中, 动模板通常需要装上顶出机构, 该机构用于制品成型后将制品顶出模具型腔, 机构包括顶针以及顶针油缸, 初始形状预先留出这个机构的空间, 为后续设计提供最大的便利, 机铰作用位置设置于最常见的五点曲肘式锁模机构的作用位置。

2.2 有限元模型的建立

有限元模型的建立包括材料定义, 网格划分以及定义载荷和约束, 为了提高计算效率, 取动模板的1/4模型进行优化, 动模板采用球磨铸铁, 弹性模量取173GPa.由于初始形状较为复杂, 网格主要划分为四面体网格, 网格划分效果见图4。

对A和C面施加对称约束, 对B面施加法向位移约束, 对D面施加200KN的力。

2.3优化结果

为了进行对比, 首先计算了初始形状的变形情况, 初始形状在UZ方向的变形云图如图5所示, 在UZ方向的变形规律基本是以机铰作用位置为中心, 各点在UZ方向的位移与其和机铰作用点的距离近似成正比关系, 位移最大发生在码模面中心处, 对于高速注射的薄壁制品, 可能会因此产生飞边。

图6为拓扑优化后的几何形状, 顶针空间附近大部分的材料被保留, 拉杆孔附件的材料则被去除大部分, 值得注意的是, 顶针油缸所在的直径100的圆孔附件的大部分材料也被保存下来, 应力分析结果显示该处主要受拉应力的作用, 景受力分析可知, 该处拉力的出现主要是因为机铰的推力与模具型腔所产生的力不在同一直线上, 从而产生弯矩, 使模板弯曲中心位置凹陷。据相关资料显示, 该处为模板爆裂的危险点, 为了减小该处的拉应力以及减小模板的弯曲变形, 将机铰作用点向模板中心方向移动是一个较好的解决办法。

图7显示的是模板平面在优化前后的变形曲线, 优化前变形在0.03~0.052mm之间, 在经过减小一半质量的拓扑优化后, 变形幅度并没有成倍加大, 优化后变形幅度较优化前稍微加大, 在0.035~0.06mm之间, 比优化前约增加15%, 在注射普通产品时, 该变形量在可接受范围内, 按照优化结果对动模板进行重新设计将会大大降低注塑机成本, 同时质量的降低也会降低在使用过程中液压系统的负担以及能耗, 从而降低注塑件的单件成本.减轻模板重量也更符合绿色环保的可持续发展理念。

图8是迭代过程曲线, 迭代过程中的每一步计算都符合质量减少50%的约束条件, 迭代过程中根据各单元计算应力的大小决定各单元的刚度系数。模板的变形能等于负载与相应位移的乘积, 变形能与模板的刚度成反比, 从曲线中可以看到, 优化过程中模板的变形能减小到原来的1/2, 即模板的刚度在优化过程中增加了1倍。

3 结论与讨论

时空过程拓扑关系表达 篇4

关键词：时空数据挖掘,时空过程,时空过程拓扑,时空耦合

时空过程是地理实体在指定时间区间内的发展演化过程,是时间与空间的有机统一整体,其间的拓扑关系是时间拓扑关系与空间拓扑序列的有机偶合体。空间拓扑和时态拓扑分别从空间和时间的角度独立地表达拓扑关系,机械地离散了具有密切联系的时空对象时间与空间的联系,不能表达时空过程之间的动态拓扑关系。因此,很多学者开始尝试将时间和空间纳入一个统一的框架内,探索时空拓扑关系的表达。Christophe等基于时间与空间的等同性归纳出了56 种时空关系,但其没有区分时态方向与时态拓扑关系,也没有进一步探讨时空拓扑操作的实现[1,2]。徐志红等基于地籍实体空间静态空间关系,采用地籍实体变更事件驱动地籍实体及其拓扑关系的变更[3]。高勇等基于时间片时空数据模型和9 交模型的建模思想针对二维欧式空间内的平面移动对象,构建了移动对象的时空拓扑关系定性表达模型[4]。还有部分学者利用空间拓扑与时态拓扑关系的笛卡尔积来表达时空拓扑关系,并利用耦合矩阵对时空拓扑进行描述[5,6]。曾联斌等在时段时空数据模型的基础上,利用9交模型定义了基于时段的时空对象时空拓扑关系模型[7]。以上研究,将空间拓扑和时态拓扑进行耦合来表达时空拓扑,是时空过程拓扑的一种特例,并没有体现空间拓扑关系在时间区间的变化过程。

鉴于此,本文旨在统一的时空框架下,将基于时空过程原子实体来探讨时空过程之间的拓扑关系,为进一步的时空过程推理、分析和时空数据挖掘提供理论基础。因此,将时间与空间进行正交组合构建统一的时空框架体系,在时态拓扑和空间拓扑分析的基础上构建原子时空过程拓扑关系,并对其几何表达、语义描述和联合矩阵表达进行讨论,最后利用原子时空过程拓扑关系实现时空过程拓扑关系的统一存储与计算表达。

1 时态与空间拓扑关系描述

1.1 时态拓扑关系描述

Allen基于时间区间逻辑模型,给出了13 种互不相交且联合完备的时态拓扑关系,但是它混淆了时态方向关系和时态拓扑关系[8]。舒红等将时态区间作为时态拓扑分析的基元,并用4-交模型和9-交模型来表达时态区间之间的拓扑关系,并证明二者在时态拓扑表达上具有等同性[9,10]。

8种时态拓扑关系分别为时间相离、时间相接、时间部分覆盖、时间覆盖、时间被覆盖、时间重合、时间包含与时间被包含,记为:TDisjoint,TMeet,TOverlap,TCover,TCovered By,TEqual,TContain,TInside,其4 交模型的矩阵表达,如图1所示[10]。

1.2 时态拓扑关系描述

空间拓扑模型主要有两种表达模型RCC-n模型和n交模型。RCC-n模型是基于哲学逻辑的公理化拓扑,它的研究主要集中于空间推理领域[11]。n交模型是基于点集拓扑理论的数学形式拓扑,主要用于GIS领域的空间拓扑分析[12]。所以下面主要分析基于n交模型空间拓扑关系的表达。

现实世界中的空间对象A是由内部、边界和外部三个部分组成,用符号分别表示为,A∘、∂A和A-。n交模型的基本思想是利用两个对象的边界、内部、外部之间的交集矩阵来表达空间拓扑关系,矩阵元素取值为 θ 或 θ̂。根据是否考虑对象的外部,又可以分成4交模型和9交模型,二者在空间拓扑关系表达上具有等同性。

8种面/面拓扑关系的4交模型的矩阵表达,如图2所示。

2 时空过程拓扑关系表达

2.1空间拓扑关系变化顺序

地理空间在时空过程中的变化体现在两个方面:1地理实体的变化,包括空间位置、形状、大小、属性变化等;2空间关系的变化,主要包括空间距离、方向和拓扑关系的变化。空间拓扑关系的变化主要是由地理实体自身的形状变化和地理实体位移所引起的。

时空过程中,地理实体会发生不同程度的变化,从而可能引起空间拓扑关系的变化,这种变化是按照一定的顺序进行的。图3 描述了由地理实体的位移和形变所引起的空间拓扑关系变化的顺序关系。

图3 中,A和B是两个面状地理实体。双向箭头两侧的拓扑关系是相邻的,即箭头一侧拓扑关系发生变化可能会产生箭头另一侧的拓扑关系,但不可能出现跨越相邻拓扑关系直接形成另一种拓扑关系的变化过程,如相离拓扑关系变化不能直接产生部分覆盖拓扑关系,其必须经过相邻拓扑关系才能变成部分覆盖拓扑关系。图中黑色双向箭头两侧的拓扑关系皆可通过地理实体形变或地理实体位移完成相互转化;红色双向箭头两侧的拓扑关系只能通过地理实体的形变完成相互转化。

2.2原子时空过程拓扑关系

时空过程是地理实体在时空多维空间中,沿着时间维向前不断移动、变化的过程,其变化形成的轨迹是一个以时间为纵轴的时空立方体。图4 展示了地理实体A和B沿着时间轴t演化,形成的时空立方体。

在时间区间[Tstart,Tend]内,A和B都在向前演化,其中A从t1时刻开始向周围匀速扩散,B在整个时间区间内没有发生任何变化。A与B的拓扑关系在时间区间内发生了变化,由相离变化成相邻。时空过程中,地理实体的演化是一个持续变化的过程,但与其他地理实体之间空间拓扑关系的变化是离散的、突变的。

随着时间区间长度的增加,拓扑关系的变化过程变得更加复杂。以简单、明确为目的,这里仅探讨基本拓扑关系过程的表达。

定义基元空间拓扑关系过程:在指定的时间区间内,地理实体间的空间拓扑关系仅在相邻拓扑关系之间变化或不发生变化,形式化表达为:Tpprocess=[Tp1→ Tp2],其中Tp1和Tp2分别为变化前后的拓扑关系,当Tp1=Tp2,被认为是一种特殊的基元空间拓扑关系过程。

基于4交模型,用拓扑关系组合结构来表达基元空间拓扑关系过程,如式1所示。

为了表达的统一性,将在时间区间保持不变的空间拓扑关系也表达为前后相同的基元空间拓扑关系过程。根据拓扑关系变化的顺序,可以将相邻拓扑关系过程分解成30 种基元空间拓扑关系过程,其几何表达,如图5所示。

图5 中黄绿色和灰色图形分别表达两个面状地理实体在时间区间[tstart,tend]演化过程所形成的时空立方体。此处空间拓扑关系的变化只涉及相同的时间区间的面状实体,并未考虑时间区间之间的时态拓扑关系。

2.3原子时空过程拓扑关系表达

在时空过程中,时间和空间是相互联系、相互影响的:时间是通过空间对象或相互关系的变化来体现,空间是通过地理实体在时间方向存在的延续性而得到证明;同时,二者又是相互独立的,它们可以单独地在各自领域中进行推理和计算。因此,通过时间与空间状态序列的耦合可以对时空过程进行表达。从认知学的角度出发,需要把时空过程作为一个时空整体进行理解与描述,但由于持续变化过程表达的复杂性和计算机只能进行二进制数存储,目前大都采用有序的空间状态序列来对时空过程进行表达。

时间与空间的相互独立性,为通过基元空间拓扑变化过程与时态拓扑关系耦合表达时空过程拓扑提供了可能。因此,本文采用基元空间拓扑关系过程与过程所占时间区间之间的时态拓扑关系进行笛卡尔积耦合,来表达原子时空过程拓扑关系。4交模型基元空间拓扑关系过程与4交模型时态拓扑关系笛卡尔积矩阵的原子时空过程拓扑关系表达,如式2所示。

以4交模型的基元空间拓扑关系过程与4交模型的时态拓扑关系笛卡尔积耦合,TPProcess×TEqual、TPprocess×TDisjoin、TPprocess×TMeet、TPprocess×TOverlay、TPprocess×TCover、TPprocess×TCoveredby、TPprocess×TContain、TPprocess×TIn-side,形成240种原子时空过程拓扑关系。由于篇幅所限,在此仅给出TPprocess×TDisjoin的30 种原子时空过程拓扑关系的几何表达和耦合矩阵,如图6所示,其的基本语义描述如表1所示。其他的耦合矩阵的时空过程拓扑语义及其耦合矩阵,可以根据相同的方法得到。

2.4 时空过程拓扑关系表达

随着时空过程所占时间区间长度的增大,地理实体之间的空间拓扑关系变化也变得更加频繁和复杂。通过相邻空间拓扑变化状态的有序集合和与其对应时间区间的时态拓扑关系进行笛卡尔积耦合来表达复杂时空过程之间拓扑关系策略在理论上是可行的,但实际操作起来就会因为拓扑关系状态过多、变化过程复杂和数目庞大的拓扑关系变化过程分类,而致使其实用性大大降低。

对于长时间区间时空过程拓扑关系,可以采用化繁为简的策略,将其离散成多个原子时空过程拓扑关系,当需要表达整个时空过程拓扑关系时,可以通过时间区间联接操作来实现。图8展示了长时间区间时空过程拓扑关系的变化过程。

地理实体A在整个过程中没有发生变化,而实体B却不断地发生变化:首先变大、再变小、最后又变大。在整个时间区间[t1,t4]内,二者之间的空间拓扑关系发生了三次变化:相离到邻接、相邻到相离和相离到部分覆盖,变化发生的时间区间分别为,[t1,t2],[t2,t3]和[t3,t4]。为了符合原子时空过程拓扑关系时间联接表达时空过程拓扑关系的要求,将包含跨越相邻空间拓扑关系的时间区间[t3,t4]拆分成[t3,t3_m]和[t3_m,t4],分别对应相离到部分覆盖拓扑关系变化的子过程,相离到相邻和相邻到部分覆盖。图8 中时空过程拓扑关系离散成原子时空过程拓扑关系序列的操作过程,如图8所示。

显然,时间区间的前后顺序是很容易获得的,因此在进行原子时空过程拓扑关系联合后,就可以清晰地表达在指定时间区间内空间拓扑关系的变化过程。如图9所示,前一原子时空过程拓扑表达矩阵中的后拓扑关系与后一原子时空过程拓扑表达矩阵中的前拓扑关系是相同的,称此关系为连接拓扑关系。通过相同的连接拓扑关系,可以对有序的原子时空过程拓扑关系序列进行合并,来表达长时间区间时空过程之间的拓扑关系。例中时空过程拓扑关系变化过程为:相离→相邻→相离→相邻→部分覆盖。当然,还可以对这个变化过程进行抽象以获得更高层次上拓扑关系变化的趋势。

3 结束语

时空过程之间的拓扑关系是时态拓扑关系与空间拓扑关系变化过程的有机耦合,是进行时空推理、时空数据挖掘和时空分析的重要基础。论文主要完成以下几个方面的工作:1)对时空过程间空间拓扑关系的变化过程进行分析,确定了30 基本空间拓扑关系变化过程,并给出相应的几何描述和组合矩阵表达;2)将30 种基本空间拓扑过程与时态拓扑关系进行笛卡尔积耦合,构建了240 种原子时空过程拓扑关系,并说明了相应的几何语义和矩阵表达模型;3)基于原子时空过程拓扑关系,给出了时空过程拓扑关系分解与表达的方法。基于原子时空过程拓扑的时空过程拓扑关系的表达,使得复杂的时空过程拓扑关系表达变得简单、直观和易操作,语义描述也更加符合人的认知习惯,能更好地解释时空过程,并且存储表达具有完备的数理基础,为时空过程知识挖掘和时空过程推理奠定了基础。

汽车座椅骨架拓扑优化研究 篇5

关键词：汽车座椅骨架,拓扑优化,二次设计

汽车的主要承载结构是车身骨架, 大约是汽车整个整备质量三分之一。汽车的框架和结构的重量直接影响车辆性能和使用寿命, 如动力性, 燃油经济性等。随着科技的进步及汽车技术的发展, 人们的首选一般为低排放污染, 安全性好, 用途广泛的汽车。为了达到这一目的, 必须基于刚度和强度满足在车身的要求, 尽量减少车辆的质量。

1 建立汽车车身骨架有限元模型

1) 车身骨架结构。本文研究了某款中档汽车, 从整体看, 发动机后置的布局, 是半承载式车身结构。整个身体半层结构, 即乘客舱的上半身, 下半身是提供的一个行李舱, 汽车气动单风扇乘客门。车身地板是高地板结构、地板中央的乘客步行区域以及整个车身骨架结构。座位安排形式31+1+1, 两边的后方车辆靠窗的座位是布局的一部分, 排座位的布局可以坐五个人, 左, 右两侧排列双座位, 留下了一个共有6行, 右边7行, 共有31个席位, 加上司机和导游的位置, 共33个席位。为了获得更精确的应力分布情况, 使用壳单元模拟车身骨架。在模拟网格划分之前前, 先简化结构如下:a.不需要一些非轴承组件, 如前、后保险杠, 踏板框架, 车窗玻璃的架子等。b.汽车表面皮肤轴承远小于轴承的骨架, 不考虑在计算模型中。c.将两个临近的交叉又不合点简化为一个节点处理。2) 网格划分。为了方便管理, 汽车框架模型在网格划分时可分为前、后、左、右侧, 车顶和底盘支架六部分, 然后集成装配在一起。a.提高梁和梁不同的关节面交点之间的几何拓扑关系, 为了保证网格之间的相互的连续性, 确保共享邻近关节的几何模型的边线;一些框架焊接接头表面的边缘没有对齐, 为了划分网格确保网格高质量, 需要将这些零件分割, 提高几何拓扑关系;除去其中的尖角的部分, 从而保证了网格质量。b.在处理网格类型和尺寸方面, 由于车身大部分采用40毫米×40毫米的Q235矩形钢管骨架, 采用整体网格单元尺寸和计算, 考虑到环境因素, 设置20毫米的尺寸, 保证足够的精度。在某些复杂的局部几何关系中, 采用单位合并, 分离等措施, 调整单元网格节点的位置和数量的调整, 保证了网格的质量。3) 原车身骨架静力和模态分析。a.模态分析。自由模态分析下的原始车身骨架, 对前七模式计算其模态值。从而获得模态频率和振动模式值。从车辆振动的角度考虑, 为了避免发生车辆身体低阶共振, 主要模式应控制在3~25hz。同时, 为了防止第一弯曲模式耦合效应的扭转模式, 这种模态的频率一般至少两中模态交错在3赫兹以上。计算结果可见, 前面步骤的车架固有频率在指定的频率范围, 有更好的发动机和道路激励下振动特征。b.静力分析。对原车车架的有限元静态分析, 在施加载荷和约束正确的情况下, 从而进行静力计算。骨架位移最大值为6.717mm, 出现在空调安装位置。应力最大值187 mpa, 出现在底部框架约束的位置, 以满足Q235力量的需求。除此此外, 后座下面框架底部应力集中是显而易见的。

2 侧围和顶棚的拓扑优化

2.1 侧围拓扑优化

1) 优化模型建立。侧围除了门, 窗, 前、后车轮, 行李箱的空间也作为一个设计空间。焊接座椅时加了横梁杆, 所以保持原来的结构。

2) 优化问题描述。目的:最小应变能 (最大刚度) 域的设计约束:体积比0.1的下限, 上限为0.2设计变量:单元密度

3) 结果分析。优化计算后, 优化结果的迭代步骤是29步, 左右侧围对称。通过调整优化参数, 设计领域的细胞密度大于0.35个单位保留材料, 获得了明显的优化结果。优化后的材料分布更加均匀, 整体结构更加合理。

2.2 顶棚优化

1) 优化模型建立。车顶拓扑空间的建设, 无论是紧急出口或是空调安装位置杆的分布, 在两个设计时根据结构优化处理之后再设计。车顶所有空间被定义为设计领域。

2) 优化问题描述。目标:二阶频率最大域的设计约束:体积比0.2的下限, 上限0.4设计变量:单元密度

3) 结果分析。经过优化后, 迭代步骤43是得到的结果。通过调整优化参数, 设计领域的细胞密度大于0.35个单位保留材料, 获得了明显的优化结果。优化后, 出现纵向梁数量少, 而横向梁分布不均匀的情况。

3 二次设计

3.1 二次设计模型建立

使用OSSmooth工具将优化结果转化为文件, 然后根据优化结果通过使用CAD软件建立了三维模型, 考虑其实际的可制造性, 使用40毫米×40毫米模拟矩形管材料分布区域。参照优化结果, 二次设计后侧围和顶棚结构。[4]

3.2 新骨架静力和模态分析

1) 模态分析。架体设计两次自由模态, 经过七阶模态值的计算。从而获得模态的振动频率和振动模式。由计算结果可以看出, 在所要求的频率范围内的前阶固有频率汽车骨架, 发动机和路面激励作用下具有良好的振动特性。2) 静力分析。有限元静力分析的两个设计汽车骨架模型, 在施加载荷和约束正确情况下的静力计算, 骨架位移最大值是9.36毫米, 是在空调安装位置。应力最大值185mpa, 出现在底部框架约束的位置, 以满足Q235力量的需求。除此此外, 后座下面框架底部应力集中是显而易见的。

3.3 优化前后性能对比

1) 观察优化前和优化后, 车身骨架的低阶频率的固有频率几乎是相同的。因此, 对于车辆的动态性能, 优化后的结构变化很小, 基本保持原车动力性能。2) 优化前后静力分析的结果进行比较, 车身骨架静力的结果是一致的。因此, 优化汽车性能变化的静态刚度和强度的结构非常小, 基本保持原车的静态力学性能。

3.4 优化前后质量对比

经过对比分析, 优化车身骨架基本上保持原来的车身骨架和静态和动态性能。同时, 横向质量减少15.5公斤, 是原侧质量的6%;车顶质量减少29.4公斤, 是原有的20.5%, 在原料的质量上限中整个车身骨架质量减少44.9公斤, 占4.7%的骨架总成的质量。因此, 优化的结果是可行的, 从一定程度上来说提高了材料的利用率, 也减少了成本。

参考文献

[1]赵永辉.大汽车车身骨架结构拓扑优化设计[D].武汉理工大学, 2008.

[2]周伟.汽车车身结构轻量化设计[D].吉林大学, 2011.

[3]吕品.汽车车架拓扑优化设计[D].沈阳理工大学, 2008.

关于网络拓扑故障的分析 篇6

一般情况下, 在网络的设计之初, 网络设计者们都已经将网络的各种功能基本上发挥到了一定的程度, 同时也已经考虑到了某些故障, 并会作出一些相应的措施来避免故障的发生。但作为一名合格的网络工程师, 应该同时作出相应的解决方案。一般在网络初次建好后是不会出现故障的。因为在网络建好后, 网络设计者们已经将各种网络设备的设置和连接做好了, 并已经完成了种种的调试和测试。

网络拓扑所引起的故障, 多数情况下是因为网络管理人员对网络的结构模糊, 或者对网络拓扑结构进行某些操作所造成的, 所以对于网络拓扑结构来说, 其故障一般是人为造成的。网络拓扑结构故障一般是由于更改网络拓扑结构, 或对网络拓扑进行优化。网络拓扑结构的更改, 一般主要是由于对网络设备的重新配置而改变了网络拓扑结构, 或在网络的主要结构中加入了新的网络设备, 从而改变了网络拓扑结构而发生故障。对于网络拓扑结构的优化故障一般主要是由于网络管理人员对网络内的设备, 包括交换机和路由器, 进行了重新配置, 目的是使其能够最大限度地提供服务而最终造成的故障。

2、更改拓扑结构

由于局域网中的网络拓扑结构相对来说是比较稳定的, 一般不会像笔记本电脑一样, 位置可以随意改变。但这并不能说, 网络拓扑结构是一定不能改变的。需要注意的是, 在改变网络拓扑结构之前, 必须对需要更改的网络拓扑结构有一个比较详细的了解, 必须根据现有的网络拓扑结构进行更改。

建议网络管理人员要有网络拓扑结构图的备份, 以便在网络出现故障时, 可以轻松查找到故障原因。另一方面, 在升级网络时也可以避免一些不必要的故障出现。

随着技术的发展, 网络都会面临升级。这里所说的升级, 不单单是指网络设备的升级, 还包括网络拓扑结构和网络软件的升级。网络的可升级性在网络是设计之初也是一项必不可少的工作。网络设计的升级和扩展的空间, 是判断网络好坏的一个重要指标, 因此在升级网络之前, 应首先考虑网络的升级空间到底有多大。如果在升级网络时, 完全不管网络的可升级性, 而对网络盲目添加设备、盲目升级网络, 有可能在升级网络之后, 产生一些莫名其妙的故障, 从而导致最终用户受损。

某些单位的网络主要分为两部分, 一部分是由一些老计算机和集线器组成的局域网, 一部分是由一些新计算机和交换机组成的局域网。一开始两部分的网络是相互独立的, 两个局域网之间不能进行通信。为了使所有的计算机都能互访, 便使用一根双绞线将交换机与集线器连接在了一起。但连接后的结果并不像开始想象的那样, 两部分网络的计算机可以实现相互间的信息通信, 而是一部分计算机之间可以实现信息通信, 剩余部分则不能, 从而造成了网络故障的发生。

在这个网络中, 既有交换机也有集线器混合构建的网络叫作混合网。因为在网络中由于计算机数量比较多, 所有很容易使网络传输产生碰撞而影响正常访问。另外, 由于交换机和集线器本身工作原理的不同, 也使得交换机在传输带宽和传输效率方面都比集线器要高很多。如果直接将交换机和集线器连接在一起工作, 因其工作效率不同, 就很容易产生网络通信故障。因此, 要想解决该网络的故障, 必须从故障根源上解决, 即改变网络的拓扑结构。

对于混合网络, 应当把其中一台性能最好的交换机作为网络的中心, 其他交换机、集线器、服务器、打印机等设备都连接至该交换机, 而普通计算机则连接至集线器。这种方式以交换机端口将各集线器的碰撞域分割开来, 有效的减少了网络碰撞冲突, 大幅度提高了网络传输效率。且由于服务器和打印机等各用户频繁访问的设备都连接至交换端口, 拥有较高的网络带宽, 从而解决了网络的传输瓶颈。

3、拓扑结构优化

网络拓扑结构的优化是指对已经正式投入使用的网络结构进行分析, 并找出影响网络运行的原因, 通过采取某些网络技术手段优化网络, 从而达到优化网络的运行状态, 充分利用资源等。尽管每个网络在开始设计之初, 已经考虑的十分周密, 但随着时间的推移、设备的不断更新以及新购计算机的投入, 原来所规划的网络已经不能再满足所要求的应用和需要, 此时对网络进行优化就成为确保网络运行的首选。

对网络拓扑结构进行优化的多少网络都属于大、中型网络, 而在这些网络中一般采用三层网络设计模型, 分别为:核心层、汇聚层和接入层。在实际的优化过程中, 由于三层结构的不同功能, 优化的重点主要是保证核心层的高速、稳定、可靠性;汇聚层的可扩展性;接入层的可管理性。

优化过程中, 应根据网络的实际需求选择合适的拓扑结构。在传统的网络拓扑布线时, 为了减少线路成本, 比较多的采用节点汇聚的方式。而随着网络介质成本的降低、维护成本的增加, 网络设计者更多地考虑减少节点或有源点的方式, 将汇聚层直接设置在大楼内部, 从核心层到汇聚层都采用直接逻辑连接, 不再设置中将有源节点。这种方式主要对用户较多、网络应用较多、路由协议复杂的大规模网络比较适合。

最后, 对于虚拟局域网VLAN的规划也是网络拓扑设计中值得注意的问题。使用VLAN可以控制广播, 避免混乱;支持工作组和网络的安全性;减少在解决移动、添加、修改终端用户等问题时的管理开销。但如果将VLAN设置出错, 也就直接改变了局域网的拓扑结构, 所以在设置过程中务必小心, 并做好相应的设置文档备份工作。

4、结语

综上所述, 网络管理人员只有在充分掌握网络拓扑结构的基础上方可对网络拓扑结构进行更改升级与优化, 同时, 还要具有一定的计划性和充分的准备, 以合理的利用网络资源, 确保网络运行的可靠性。

参考文献

[1]陈丽娜, 黄宏斌.《计算物理系统网络拓扑模型研究》.计算机研究与发展, 2010

[2]王国成.《浅析计算机网络拓扑与网络设备》.硅谷, 2008

[3]王春明, 康子明.《局域网拓扑结构优化的探讨》.电脑编程技巧与维护, 2010